ไฟไหม้โรงงานผลิตผลิตพอลิโพรพิลีนจากการเก็บตัวอย่าง MO Memoir : Monday 5 May 2568

อ่านเรื่องนี้แล้วทำให้นึกถึงความผิดพลาดแบบเดียวกันที่เกิดที่ประเทศฝรั่งเศสเมื่อปีพ.ศ. ๒๕๐๙ ที่ครั้งนั้นเป็นการรั่วไหลครั้งใหญ่ของแก๊สปิโตรเลียมเหลวที่กลายเป็นกรณีศึกษาในสาขาวิศวกรรมเคมี โดยต้นตอเกิดจากเหตุการณ์แบบเดียวกันคือ วาล์วเก็บตัวอย่างถูกเปิดทิ้งไว้ (อ่านเรื่องนี้ได้ในบทความบน blog เรื่อง "การระเบิดของถังLPG ที่เมืองFeyzinประเทศฝรั่งเศส" เผยแพร่เมื่อวันอาทิตย์ที่ ๗ กรกฎาคม พ.ศ. ๒๕๕๖)

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากเว็บ Failure Knowledge Database ของประเทศญี่ปุ่นในหัวข้อเรื่อง "Fire caused due to incorrect opening of valves during sampling operation at a polypropylene manufacturing plant" (https://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200065.html) ซึ่งเป็นเหตุการณ์เกิดที่เมือง Oita เมื่อวันที่ ๘ มีนาคม ค.ศ. ๑๙๙๖ (พ.ศ. ๒๕๓๙) ซึ่งแผนผังกระบวนการผลิตและบริเวณเก็บตัวอย่างนั้นแสดงไว้ในรูปที่ ๑ และคำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิดนำมาแสดงไว้ในรูปที่ ๒

รูปที่ ๑ แผนผังกระบวนการผลิต โดยมุมขวาบนคือส่วนขยายบริเวณเก็บตัวอย่าง

บทความไม่ได้บอกว่ากระบวนการผลิตพอลิโพรพิลีนนั้นเป็นอย่างไร เพราะเขาคงคิดว่ามันไม่เกี่ยวกับเรื่องที่เกิด แต่เพื่อเป็นการปูพื้นฐานให้ผู้ที่กำลังเรียนอยู่พอจะมองเห็นภาพได้ ก็เลยขอปูพื้นฐานตรงนี้หน่อย

พอลิโพรพิลีนเกิดจากปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์โพรพิลีนใน reactor (มุมล่างซ้ายของรูปที่ ๑ ที่บอกว่ามี ๒ ตัว) จากรูปที่เห็นเดาว่าน่าจะเห็น loop reactor (อ่านเรื่องนี้เพิ่มเติมได้ในบทความบน blog เรื่อง "Loop reactorสำหรับการผลิต polyolefins" เผยแพร่เมื่อวันจันทร์ที่ ๒ ธันวาคม พ.ศ. ๒๕๖๒)

ในกระบวนการนี้จะใช้ความดันทำให้โพรพิลีนกลายเป็นของเหลว ณ อุณหภูมิการทำปฏิกิริยา เมื่อผสมตัวเร่งปฏิกิริยาเข้าไป โพรพิลีนส่วนหนึ่งก็จะกลายเป็นพอลิเมอร์ของแข็งไหลเวียนอยู่ภายใน loop reactor ไปพร้อมกับโพรพิลีนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาและเป็นของเหลว

ในการแยกเอาผงพอลิเมอร์ที่เป็นผลิตภัณฑ์ออกมานั้น ใช้การดึงเอาบางส่วนของโพรพิลีนและผงพอลิเมอร์ออกจาก reactor และส่งไปยัง degassing drum ที่ความดันใน degassing drum นี้จะต่ำกว่าใน reactor ทำให้โพรพิลีนที่เป็นของเหลวที่ไหลมาจาก reactor กลายเป็นไอที่ degassing drum นี้ ไอโพรพิลีนที่เกิดขึ้นจะถูกป้อนกลับไปยัง reactor ใหม่

ถ้าความดันใน degassing drum ต่ำ ก็จะแยกเอาโพรพิลีนที่ละลายอยู่ในผงพอลิเมอร์ออกมาได้มาก แต่ก็จะทำให้ต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการเพิ่มความดันให้กับโพรพิลีนให้สูงพอที่จะป้อนกลับเข้าสู่ reactor ได้ แต่ถ้าความดันใน degassing drum นั้นต่ำเพียงแค่ทำให้โพรพิลีนเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นไอ ก็จะยังมีโพรพิลีนละลายตกค้างอยู่มากในผงพอลิเมอร์ที่ได้ แต่พลังงานที่ต้องใช้ในการป้อนไอโพรพิลีนที่เกิดขึ้นกลับไปยัง reactor นั้นจะลดลง (พลังงานที่ใช้ในการอัดแก๊สขึ้นอยู่กับผลต่างความดันระหว่างด้านความดันสูงกับความดันต่ำ ถ้าผลต่างความดันนี้สูง ก็ต้องใช้พลังงานสูงชึ้นไปด้วย) ด้วยเหตุนี้ในสถานการณ์แบบนี้ เราจึงมักเห็นการแยกถูกแบ่งออกเป็น ๒ ขั้นตอน โดยขั้นตอนแรกจะกระทำที่ความดันสูงก่อน (high pressure degassing drum) จากนั้นจึงค่อยแยกอีกทีที่ความดันที่ต่ำกว่า (low pressure degassing drum)

รูปที่ ๒ คำบรรยายเหตุการณ์ที่เกิด

กระบวนการของโรงงานที่เกิดเหตุ (รูปที่ ๑) โพรพิลีนที่ยังไม่ทำปฏิกิริยาที่มีผงพอลิเมอร์แขวนลอยอยู่ ถูกส่งจาก reactor ไปยัง high pressure degassing drum (D301) ทางด้านล่างของ high pressure degassing drum จะมี sampling pot (Z302) ในการเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์นั้นต้องตรวจสอบก่อนว่าวาล์ว 3 นั้นปิดอยู่ จากนั้นจึงเปิดวาล์ว 1 และ 2 เพื่อให้โพรพิลีนและผงพอลิเมอร์ไหลเข้ามาใน sampling pot จากนั้นจึงปิดวาล์วเพื่อปิดการไหลของโพรพิลีนและผงพอลิเมอร์จาก high pressure degassing drum

ขั้นตอนต่อไปเป็นการลดความดันใน sampling pot ด้วยการเปิดวาล์วเพื่อระบายโพรพิลีนออกไป ตามด้วยการใช้แก๊สไนโตรเจน purge ไล่โพรพิลีนที่ตกค้างอยู่ใน sampling pot จากนั้นจึงค่อยเปิดวาล์ว 3 เพื่อเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์

ในเหตุการณ์ที่เกิดนั้น โอเปอร์เรเตอร์ไม่ได้ทำการตรวจสอบว่าวาล์วเก็บตัวอย่าง (วาล์ว 3) นั้นปิดอยู่หรือไม่ ในวันที่เกิดเหตุนั้นวาล์วเก็บตัวอย่างเปิดค้างอยู่ เมื่อเปิดให้โพรพิลีนและผงพอลิเมอร์ไหลเข้า sampling pot ทั้งโพรพิลีนและผงพอลิเมอร์ก็เลยฉีดพุ่งออกมาทางวาล์วเก็บตัวอย่าง ก่อนที่จะเกิดการระเบิด (คาดว่าเกิดจากไฟฟ้าสถิต)

ในบทความนั้นกล่าวว่าสาเหตุเกิดจาก human error แต่ถ้าพิจารณาอีกมุมหนึ่งก็จะเห็นว่าเกิดจากการเลือกใช้วาล์วสำหรับเก็บตัวอย่างที่ไม่เหมาะสม คือของเดิมนั้นคงใช้วาล์วที่เปิด-ปิดด้วยมือ คือหลังจากที่ใช้มือเปิดวาล์วเพื่อให้ตัวอย่างไหลออกมาแล้ว ก็ต้องใช้มือหมุนวาล์วเพื่อปิดวาล์วเก็บตัวอย่าง ซึ่งถ้าหลังเสร็จสิ้นการเก็บตัวอย่างครั้งก่อนหน้าโอเปอร์เรเตอร์ไม่ได้ปิดวาล์วตัวนี้ และในการเก็บตัวอย่างครั้งถัดมาโอเปอร์เรเตอร์ก็ไม่ได้ตรวจสอบว่าวาล์วตัวนี้ปิดอยู่หรือไม่ (ในเหตุการณ์นี้ก็คงเป็นเช่นนั้น) การรั่วไหลก็เกิดขึ้นได้

วิธีหนึ่งในการป้องกันคือการใช้วาล์วชนิดที่เรียกว่า spring loaded หรือ spring return หรือ dead man spring return ball valve ที่จะมีแรงสปริงคอยหมุนให้วาล์วอยู่ในตำแหน่งปิดตลอดเวลา การเปิดวาล์วต้องมีคนคอยจับก้านหมุนเพื่อให้วาล์วเปิด ถ้าปล่อยมือเมื่อใดแรงสปริงก็จะหมุนให้วาล์วกลับคืนสู่ตำแหน่งปิด ในตอนต้นเรื่องที่เกริ่นไว้ว่าทำให้นึกถึงกรณีแก๊สปิโตรเลียมเหลวรั่วไหลที่ประเทศฝรั่งเศสเมื่อปีพ.ศ. ๒๕๐๙ นั้นก็เพราะ ในเหตุการณ์ครั้งนั้นไม่สามารถปิด drain valve ที่ก้นถังลูกโลกได้ และก็ได้มีคำแนะนำว่าตำแหน่งดังกล่าวควรใช้วาล์วชนิด spring loaded แทนวาล์วแบบที่ต้องใช้โอเปอร์เรเตอร์คอยหมุนปิดเปิด

เพลิงไหม้และการระเบิดที่ Steam Cracker Unit, Czech Republic 2558 (2015) ตอนที่ ๓ การวิเคราะห์สาเหตุ MO Memoir : Monday 5 February 2567

วันที่ ๑๒ เมษายน ปีค.ศ. ๑๘๓๑ (พ.ศ. ๒๓๗๔ หรือช่วงรัชกาลที่ ๓ ของไทย) ระหว่างที่ทหารอังกฤษ ๗๔ เดินเป็นจังหวะพร้อมกันข้ามสะพาน Broughton Suspension Bridge ซึ่งเป็นสะพานแขวนชนิด Iron chain suspension bridge มีความรู้สึกว่าสะพานสั่นตามจังหวะการเดินที่ทำให้รู้สึกสนุก ก็เลยย้ำจังหวะการเดินเข้าไปอีก ผลก็คือสะพานดังกล่าวพังลงมา แม้ว่าเหตุการณ์ครั้งนั้นจะไม่มีผู้เสียชีวิต แต่จากนั้นมาเวลากองทหารเดินข้ามสะพานแขวนก็มีคำสั่งให้ต้องเดินแบบ "Break step" คือห้ามเดินเข้าจังหวะกัน

แต่เหตุการณ์ที่ขึ้นชื่อและเป็นที่รู้จักกันแพร่หลายกว่าน่าจะเป็นกรณีของสะพานแชวน Tacoma ที่พังลงเพราะลมที่พัดผ่านนั้นทำให้จังหวะการแกว่งของสะพานตรงกับความถี่การสั่นตามธรรมชาติของสะพาน การแกว่งก็เลยรุนแรงขึ้นจนทำให้สะพานพังลงมาในวันที่ ๑ กรกฎาคม ปีค.ศ. ๑๙๔๐ (พ.ศ. ๒๔๘๓) เหตุการณ์ช่วงที่สะพานพังลงมามีการบันทึกภาพยนต์ไว้ จึงทำให้เป็นที่รู้จักกันแพร่หลาย

บทความต้นฉบับของเรื่องการระเบิดที่ Steam Cracker Unit นี้มีการวิเคราะห์สาเหตุที่ทำให้เกิดความเสียหายในแต่ละจุดว่าเกิดจากอะไร แต่ใน Memoir นี้จะขอนำมาเฉพาะสิ่งที่เห็นว่าเป็นต้นตอของความเสียหายอื่น ๆ ที่เกิดตามมา ซึ่งก็คือทำไมอัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นจึงลดลง และทำไม pressure relief valve จึงเกิดการ chattering และการ chattering นี้นำไปสู่การรั่วไหลได้อย่างไร ซึ่งการสอบสวนพบว่ามีสาเหตุที่เหมือนกับทั้งสองกรณีที่กล่าวมาข้างต้น

เริ่มต้นด้วยรูปที่ ๑๕ ที่เป็นเหตุการณ์ก่อนที่น้ำหล่อเย็นจะขาดหายไปจนกระทั่งกลับมาสู่ระดับเดิม สำหรับแผนผังหน่วยผลิตนั้นขอให้ดูในบทความตอนที่ ๒ ของเรื่องนี้

รูปที่ ๑๕ เหตุการณ์ช่วงก่อนที่น้ำหล่อเย็นจะขาดหายไปจนกระทั่งกลับมาสู่ระดับเดิม

ช่วงก่อนเกิดเหตุการณ์ โรงงานเดินเครื่องที่กำลังผลิตประมาณ 90-93% โดยมีกำลังการผลิตเอทิลีนประมาณ 56-58 ตันต่อชั่วโมง หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนมีเครื่องควบแน่น 4 เครื่อง (EA-125 A ถึง D) ทำงานพร้อมกัน โดยใช้น้ำหล่อเย็นเป็นแหล่งระบายความร้อน

ระบบน้ำหล่อเย็นที่จ่ายให้กับเครื่องควบแน่นดังกล่าวเป็นท่อใต้ดินมีทั้งหมด 4 เส้นท่อ ณ เวลาหนึ่งจะมีการดึงน้ำหล่อเย็นมาใช้อย่างน้อยจาก 1 เส้นท่อ โดยอีก 1 เส้นท่อเป็นเส้นสำรอง โดยช่วงก่อนเกิดเหตุนั้นกำลังใช้น้ำจากเส้นท่อที่ 3 และ 4 อยู่

ก่อนเกิดเหตุการณ์ อุปกรณ์วัดการไหลของเส้นท่อที่ 3 ไม่ทำงาน จึงได้มีการซ่อมแซมและซ่อมบำรุง การวางแผนตรวจสอบการทำงานกำหนดให้มีในวันที่ ๑๓ สิงหาคม ค.ศ. ๒๐๑๕ ขั้นตอนการทำงานเพื่อตรวจสอบมิเตอร์วัดการไหลที่ได้ตกลงกันไว้ก็คือ จะใช้เฉพาะเส้นท่อที่ 3 เท่านั้นโดยจะปิดน้ำจากเส้นท่อที่ 4 เป็นการชั่วคราว ให้มีเฉพาะน้ำจากเส้นท่อที่ 3 ที่ไหลเข้าเครื่องควบแน่น ในช่วงระหว่างเวลา 8.05 ถึง 8.15 น ได้ทำการเปิดวาล์วน้ำของเส้นท่อที่ 3 ที่อยู่ในพื้นที่หน่วย Steam Cracker ตามด้วยการปิด (หรือปิดบางส่วน) วาล์วน้ำของเส้นท่อที่ 4 ที่หน่วย Steam Cracker โดยที่วาล์วของเส้นท่อที่ 3 ที่ "Battery Limit" ไม่ถูกเปิด ("Battery Limit" คือขอบเขตความรับผิดชอบระหว่างสองหน่วยงาน) สิ่งที่เกิดตามมาคือมีการขัดจังหวะการไหลของน้ำหล่อเย็นไปยังส่วนต่าง ๆ ของหน่วย Setam Cracker ซึ่งรวมทั้งเครื่องควบแน่นโพรพิลีนด้วย อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นลดลงจาก 12,000 m³/h ลงเหลือประมาณ 6,600 m³/h เป็นเวลานานประมาณ 13 นาที ก่อนที่จะกลับคืนสู่ระดับเดิมที่เวลาประมาณ 8.29 น

รูปที่ ๑๖ การสลับท่อน้ำหล่อเย็นระหว่างเส้นท่อที่ 3 และเส้นท่อที่ 4 ในหัวข้อ 5.1 เขียนไว้อีกอย่าง

ในเรื่องการสลับเส้นท่อ ข้อความในหัวข้อการสอบสวน (รูปที่ ๑๖) อ่านแล้วดูสับสนกับข้อความ ในรูปที่ ๑๕ แต่ละเส้นท่อจะมีวาล์วที่เกี่ยวข้องอยู่ 2 ตำแหน่ง ตำแหน่งแรกอยู่ที่ batter limit ที่เรียกว่าวาล์ว outlet (เพราะส่งน้ำออกจากหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็น) ตำแหน่งที่สองอยู่ทางด้านขาเข้าเครื่องควบแน่นที่เรียกว่าวาวล์ inlet (คือป้อนน้ำหล่อเย็นเข้าเครื่องควบแน่น) ในรูปที่ ๑๖ บอกว่าก่อนการสลับเส้นท่อ วาล์ว inlet ของเส้นท่อที่ 4 ปิดอยู่ในขณะที่วาล์ว inlet และ outlet ของเส้นท่อที่ 3 นั้นเปิดอยู่ การสลับเส้นท่อคือจะหยุดใช้งานเส้นท่อที่ 3 โดยเปลี่ยนไปใช้งานเส้นท่อที่ 4 (สลับกับรูปที่ ๑๕) แต่ไม่ว่าเหตุการณ์จริงจะเป็นอย่างไร สิ่งที่เกิดคือวาล์ว outlet ของเส้นท่อที่จะนำกลับมาใช้งานนั้นปิดอยู่

รูปที่ ๑๗ เหตุการณ์ที่หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน

หอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนถูกออกแบบให้ผลิตโพรพิลีนบริสุทธิ์ 99.8% (รูปที่ ๑๗) ออกทางยอดหอ และโพรเพนเหลวออกทางก้นหอ ตัวหอกลั่นสร้างในปีค.ศ. ๑๙๗๗ (พ.ศ. ๒๕๒๐) มีความสูง 90 เมตร ความดันใช้งานสูงสุดที่ยอมให้ (MAWP) คือ 1.635 MPa (ความดันเกจ) สารผสมโพรเพน-โพรพิลีนถูกป้อนเข้าที่ตำแหน่ง Tray ที่ 106 ผลิตภัณฑ์แก๊สโพรพิลีนที่ออกทางยอดหอจะถูกควบแน่นให้เป็นของเหลวด้วยเครื่องควบแน่น E-425 จำนวน 4 ตัว (A-D) โพรพิลีนที่ควบแน่นจะไหลไปยัง Reflux drum (FA-407) โดยของเหลวที่ถังนี้ส่วนหนึ่งจะถูกส่งไปเก็บเป็นผลิตภัณฑ์และอีกส่วนถูกป้อนเข้าหอกลับเพื่อเป็น reflux โดยค่าอัตราส่วนการ reflux (หรือ reflux ratio) อยู่ในช่วงประมาณ 15-18 ตัว reboiler (EA-424 A/B) ที่ก้นหอใช้ quench water เป็นแหล่งให้ความร้อน โพรเพนที่แยกมาได้จะถูกส่ง กลับไปยังหน่วย pyrolysis เพื่อใช้เป็นวัตถุดิบ หรือใช้เป็นเชื้อเพลิงถ้าจำเป็น

ค่า reflux ratio คืออัตราส่วนปริมาณของสารที่ส่งกลับไปยังหอกลั่นต่อปริมาณของสารที่ดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ อย่างเช่นในกรณีนี้ ค่า reflux ratio 15 คือจากปริมาณของเหลวที่เครื่องควบแน่นควบแน่นได้ 15 ส่วนถูกส่งกลับไปยัง Tray ที่ 1 โดยมีเพียงแค่ 1 ส่วนถูกดึงออกไปเป็นผลิตภัณฑ์ การเพิ่มค่าอัตราส่วนนี้จะทำให้ผลิตภัณฑ์ยอดหอที่ได้มีความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น แต่ได้ในปริมาณ (ต่อหน่วยเวลา) ที่ลดลง

การควบคุมความดันในหอใช้วาล์วควบคุม PC 04-252 ทำการปรับแต่งอัตราการไหลน้ำหล่อเย็นที่เครื่องควบแน่น และในกรณีที่ความดันขึ้นสูงก็จะใช้วาล์ว PC 04-254 ระบายแก๊สจาก Reflux drum ทิ้งออกระบบเผาแก๊สทิ้ง การควบคุมดับของเหลวก้นหอใช้การควบคุมอัตราการไหลของ quench water ด้วยวาล์ว FC 04-252

รูปที่ ๑๘ ระบบระบายความดัน

ตัวหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนมีวาล์วระบายความดัน (pressure relief valve) 4 ตัวที่เหมือนกันหมด วาล์วเป็นชนิดใช้แรงสปริงกด (แรงกดสปริงเป็นตัวกำหนดความดันที่จะให้วาล์วเปิด) และมี balancing bellow (เพื่อป้องกันความดันด้านขาออกมากดตัววาล์วร่วมกับแรงสปริง เพราะจะทำให้วาล์วเปิดที่ความดันสูงกว่าค่าที่ตั้งเอาไว้) ทางเข้า-ออกต่อกับท่อด้วยหน้าแปลน อุณหภูมิระบายความดันคือ 50ºC และตั้งค่าให้เปิดที่ 1.86 MPa อัตราการระบายโพรพิลีนคือ 604,700 kg/h วาล์วสร้างขึ้นตามการออกแบบในปีค.ศ. ๑๙๗๘ (พ.ศ. ๒๕๒๑) ด้านเข้า-ออกของวาล์วแต่ละตัวจะมี gate valve เพื่อให้สามารถถอดวาล์วออกมาซ่อมบำรุงได้ แต่มีกลไกป้องกันที่ทำให้ต้องมีวาล์วอย่างน้อย 3 ตัวทำงานอยู่เสมอ (การทำงานปรกติจะใช้งาน 3 ตัว ลำรอง 1 ตัว) และในระหว่างเกิดเหตุ วาล์วตัวที่ 4 ทำหน้าที่เป็นวาล์วสำรอง การตรวจสอบครั้งสุดท้าย (ก่อนเกิดเหตุ) พบว่าวาล์วทำงานได้ปรกติและไม่มีข้อบกพร่องใด ๆ (รูปที่ ๑๘)

การติดตั้ง pressure relief valve มากกว่า 1 ตัวจะทำเมื่อวาล์วตัวเดียวไม่สามารถระบายความดันได้รวดเร็วพอ หรือถ้าใช้วาล์วเพียงตัวเดียวจะต้องใช้วาล์วที่มีขนาดใหญ่ซึ่งจะเกิดปัญหา chattering ได้ง่ายเวลาที่ต้องระบายความดันที่เพิ่มขึ้นไม่มาก ในเหตุการณ์นี้ วาวล์ทั้ง 4 ตัวถูกตั้งให้เริ่มเปิดที่ความดันเดียวกัน ซึ่งเป็นสาเหตุส่วนหนึ่งที่ทำให้เกิดปัญหา (คือมาตรฐานปัจจุบันไม่แนะนำให้ทำเช่นนั้น ซึ่งตรงนี้จะกล่าวถึงในช่วงต่อไป แต่อย่าเพิ่งด่วนสรุปว่าการติดตั้งนั้นไม่เหมาะสม เพราะต้องไปดูว่ามาตรฐานตอนปีที่ติดตั้งวาล์วนั้นกล่าวไว้อย่างไร เพราะมันอาจถูกต้องตามมาตรฐาน ณ เวลานั้นก็ได้)

 

รูปที่ ๑๙ อัตราการไหลน้ำหล่อเย็น, ความดันภายในหอกลั่น, อัตราการไหลสาย reflux และระดับของเหลวใน reflux drum ในช่วงเวลาก่อนและขณะเกิดเหตุ

รูปที่ ๑๙ เป็นข้อมูลพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน จะเห็นว่าโอเปอร์เรเตอร์ต้องหยุดการทำงานของ reflux pump (จุดที่ reflux flow เป็นศูนย์) ก่อนที่จะกู้อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็นกลับคืนมาได้ แต่ที่ไม่เห็นความดันเพิ่มขึ้นคงเป็นเพราะว่ามีการเปิดวาล์วเพื่อระบายความดัน แต่แม้ว่าจะกู้อัตราการไหลน้ำหล่อเย็นกลับมาได้ ระดับของเหลวใน reflux drum ก็ไม่ได้เพิ่มขึ้น (ตรงนี้น่าจะมีข้อมูลอุณหภูมิยอดหอมาประกอบหน่อย ว่าในช่วงเวลานั้นมีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร)

ในบทความกล่าวว่ามีการวัดความดันที่ตัวหอกลั่น (น่าจะเป็นตำแหน่งก่อนถึงเครื่องควบแน่น) และการวัดความดันที่ reflux drum ข้อมูลความดันที่แสดงในรูปที่ ๑๙ (เส้นสีดำหนา) น่าจะเป็นความดันที่หอกลั่น ตรงนี้พออ่านแล้วก็เกิดคำถามส่วนตัวขึ้นว่า เป็นไปได้หรือไม่ที่โพรพิลีนที่ควบแน่นเป็นของเหลวแล้ว พอไหลมายัง reflux drum ที่มีการเปิดวาล์วระบายความดันเพื่อระบายความดันใน reflux drum ออกสู่ระบบเผาแก๊สทิ้งโดยตรง ทำให้ความดันใน reflux drum นั้นต่ำกว่าที่เครื่องควบแน่น โพรพิลีนที่ควบแน่นเป็นของเหลวจึงเดือดกลายเป็นไอใหม่อีก (เนื่องจากความดันที่ลดต่ำลง) ทำให้ไม่มีของเหลวสะสมเพิ่มใน reflux drum และการปิดวาล์วระบายความดันตรงนี้ จะช่วยแก้ปัญหาได้ไหม

รูปที่ ๒๐ การตั้งค่าความดันของวาล์วระบายความดัน

หัวข้อ 5.2.3 เป็นการพิจารณาการออกแบบวาล์วระบายความดัน (รูปที่ ๒๐) หัวข้อ 5.2.3.1 กล่าวว่า วาล์วระบายความดันทุกตัว (คือทั้ง 4 ตัว) ตั้งให้เปิดที่คามดัน 1.86 MPa (ตัว g ข้างหลังคือระบุว่าเป็น gauge pressure หรือความดันเกจ) ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดของการออกแบบดั้งเดิม (น่าจะหมายถึงตอนสร้างโรงงาน) แต่มาตรฐาน API R 520 และ 521 ก็มีคำแนะนำว่า ในกรณีที่มีการติตดั้งวาล์วระบายความดันหลายตัว ควรที่จะตั้งให้เปิดที่ความดันเป็นลำดับขั้นกัน (คือค่อย ๆ เพิ่มขึ้น) และการตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกันก็มีส่วนที่ให้ระบบระบายความดันไม่มีเสถียรภาพ แต่เมื่อทำการพิจารณาแล้วเห็นว่าไม่ใช่สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการสั่นที่ก่อให้เกิดความเสียหาย

 

รูปที่ ๒๑ ตัวอย่างการตั้งค่าความดันให้วาล์วเปิดในกรณีที่มีวาล์วระบายความดัน 2 ตัว ที่สภาวะการทำงานปรกติ (Table 3)

รูปที่ ๒๒ ตัวอย่างการตั้งค่าความดันให้วาล์วเปิดในกรณีที่มีวาล์วระบายความดัน 2 ตัว ในกรณีของไฟคลอก (Table 5)

รูปที่ ๒๓ นำมาจาก API RP 521 Guide for Pressure-Relieving and Depressuring Systems ฉบับเดือนมีนาคมปีค.ศ. ๑๙๙๗ ในหัวข้อ 3.20.3.2 ในเรื่องของการหาขนาดวาล์วระบายความดัน ผู้ออกแบบควรต้องพิจารณาความเป็นไปได้ทั้งหมดที่จะทำให้ความดันสูงเกิน ประเมินค่าอัตราการไหลที่ต้องใช้ในการระบายความดัน เพราะจะส่งผลต่อพื้นที่ "orifice" (หรือขนาดช่องเปิดสำหรับให้ของไหลไหลผ่านว่าควรต้องมีพื้นที่อย่างน้อยเท่าไร) แต่เมื่อกระบวนการผลิตมีการเพิ่มขนาดมาก ขนาดพื้นที่ที่ได้จากวาล์วระบายความดันตัวเดียวจึงไม่เพียงพอ ทำให้จำเป็นต้องมีการติดตั้งวาล์วระบายความดันมากกว่าหนึ่งตัว เพื่อให้ได้ขนาดพื้นที่ orifice ตามต้องการ

ปรกติการคำนวณหาขนาด orifice จะอิงจากอัตราการเพิ่มความดันที่มากที่สุดที่คาดการณ์ไว้ว่าสามารถเกิดขึ้นได้ อย่างเช่นในกรณีของหอกลั่นอาจอิงจากเหตุการณ์ที่เครื่องควบแน่นไม่มีน้ำหล่อเย็น ในขณะที่ reboiler นั้นยังมีการให้ความร้อนอย่างเต็มที่ (ถ้าคิดว่าเหตุการณ์นี้มีโอกาสเกิดได้) แต่มันก็ก่อปัญหาได้ในกรณีที่อัตราการเพิ่มความดันไม่ได้รวดเร็วมากและระบบนั้นใช้วาล์วระบายความดันที่มีขนาดใหญ่เพียงตัวเดียวหรือตัวเล็กหลายตัวที่ตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกัน เพราะทันทีที่วาล์วเปิดความดันก็จะลดลงอย่างรวดเร็วทำให้วาล์วปิดโดยเร็ว และจะเป็นเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าการเพิ่มความดันนั้นจะหายไป ปรากฏการณ์นี้มีชื่อเรียกว่า "chattering"

ในหัวข้อนี้กล่าวเอาไว้ด้วยว่าวาล์วอาจเกิดการ chattering ที่ทำให้เกิดความเสียหายได้ถ้าหากใช้วาล์วระบายความดันหลายตัวโดยตั้งให้ "เปิดที่ความดันเดียวกัน" แต่การแก้ปัญหาทำได้ด้วยการให้วาล์วเปิดทีละตัวที่ความดันเป็นลำดับขั้น

รูปที่ ๒๓ ข้อความใน API RP 521 ที่กล่าวถึงปัญหาที่เกิดขึ้นได้กรณีที่ใช้วาล์วระบายความดันหลายตัวโดยตั้งให้เปิดที่ความดันเดียวกัน (ในกรอบสี่เหลี่ยมสีแดง)

ในเหตุการณ์นี้เห็นว่ามีบางประเด็นที่เห็นว่าน่าจะนำมาพิจารณากันก็คือ มีการใช้วาล์วระบายความดัน 4 ตัว โดยในเวลาใดเวลาหนึ่งต้องมีวาล์วทำงานอยู่อย่างน้อย 3 ตัว

ประเด็นแรกก็คือเมื่อได้ขนาดพื้นที่ orifice ที่ต้องมีแล้ว ขนาดพื้นที่นี้ควรได้จากพื้นที่ orifice ของวาล์วจำนวน 3 ตัว (คือทำงาน 3 ตัว สำรอง 1 ตัว) หรือ 4 ตัวรวมกัน (คือให้ทั้ง 4 ตัวทำงานในเวลาเดียวกัน ไม่มีวาล์วสำรอง) เพราะถ้าใช้พื้นที่รวมของวาล์ว 4 ตัว ก็จะทำให้ขนาดพื้นที่นั้นเล็กเกินไปถ้ามีวาล์วทำงานเพียง 3 ตัว หรือจะมองว่าโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์ที่ทำให้จำเป็นต้องใช้วาล์ว 4 ตัวทำงานร่วมกันในขณะที่มีวาล์วพร้อมใช้งานเพียงแค่ 3 ตัวนั้นต่ำมาก

ประเด็นที่สองคือในกรณีของการใช้วาล์วมากกว่า 1 ตัวที่ตั้งค่าความดันให้เปิดเป็นลำดับ โดยวาล์วตัวแรกตั้งให้เปิดที่ค่า MAWP ถ้าหากมีความจำเป็นต้องนำวาล์วตัวนี้ออกจากระบบชั่วคราว (เช่นเอาไปซ่อมบำรุง) จะทำให้วาล์วตัวแรกที่เหลืออยู่จะเปิดที่ความดันที่สูงกว่า MAWP ระบบจะมีปัญาหาไหมถ้าเกิดปัญหาความดันสูงเกินในช่วงเวลานี้

ความผิดพลาดในการสื่อสาร (ระหว่างโอเปอร์เรเตอร์ที่ทำหน้าที่ควบคุมวาล์วน้ำหล่อเย็นที่เครื่องควบแน่น และโอเปอร์เรเตอร์ของหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็นที่ควบคุมวาล์วเปิด-ปิดน้ำที่ส่งออกจากหน่วยผลิตน้ำหล่อเย็น) และการตรวจสอบตำแหน่งวาล์วว่าเปิดหรือปิด ทำให้เกิดปัญหาน้ำหล่อเย็นหายไป ตามมาด้วยการเกิดความดันสูงเกินจนวาล์วระบายความดันที่ตัวหอกลั่นทำงาน แต่ตัววาล์วระบายความดันเองก็เกิด chattering จนทำให้หน้าแปลนที่ยึดตัววาล์วเข้ากับท่อทางเข้าเกิดการคลายตัวจนทำให้มีโพรพิลีนรั่วไหลออกมา คำถามที่ตามมาก็คือหน้าแปลนเกิดการคลายตัวได้อย่างไร

รูปที่ ๒๔ การเกิด Acoustic resonance ที่นำไปสู่การคลายตัวของน็อตบริเวณหน้าแปลนจนทำให้เกิดการรั่วไหล

จากที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ในหัวข้อ 5.2.3.1 ว่าลำพังการเกิด chattering อย่างเดียวไม่ใช่สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดการรั่วไหล จึงจำเป็นต้องมองหาสาเหตุอื่นที่น่าจะเป็นสาเหตุหลัก

หัวข้อ 5.2.4 (รูปที่ ๒๔) จากการตรวจตัวของ bolt และ nut ที่ใช้ยึดตัววาล์วเข้ากับหน้าแปลนที่เกิดการรั่วไหลนั้น ปรากฏว่าไม่พบความเสียหายหรือรอยแตกร้าวใด ๆ (ตรงนี้ขอใช้ทับศัพท์คำ bolt และ nut เพราะภาษาไทยไปเรียกรวมว่า น็อต โดยแยกเป็นน็อตตัวผู้ (bolt หรือ สลักเกลียว) และน็อตตัวเมีย (nut) หรือแป้นเกลียว) แสดงว่าตัว nut เกิดการคลายตัวเนื่องจากการสั่นอย่างรุนแรงของระบบวาล์วระบายความดัน จนทำให้ตัว nut ค่อย ๆ คลายตัวออกอย่างช้า ๆ ซึ่งน่าจะเกิดขึ้นพร้อมกันทุกตัว

(หน้าแปลนถูกประกบเข้าด้วยกันโดยใช้ bolt และ nut ขันอัด ในการใช้งานปรกติ bolt และ nut ทุกตัวควรจะรับแรงดึงเท่า ๆ กัน (เวลาขัน nut อัดเข้าไป ตัว bolt จะยืดออก) แต่ถ้า nut เกิดการคลายตัวพร้อมกัน หน้าแปลนก็จะแยกห่างจากกันโดยที่ตัว bolt ที่ยังมีอยู่ครบทุกตัวยังช่วยกันรับแรงอยู่ แต่ถ้ามี nut ของ bolt บางตัวเกิดการคลายตัว จะทำให้ bolt ตัวนี้ไม่ได้รับแรงดึง แรงดึงบน bolt ที่เหลือจะเพิ่มสูงขึ้น และถ้าแรงดึงที่กระทำบน bolt ที่เหลืออยู่นั้นสูงเกินกว่าความแข็งแรงของวัสดุที่ใช้ทำ bolt ตัว bolt ที่เหลือก็จะฉีกขาด)

ในบทความมีการพิจารณาหลายหลายสาเหตุ แต่ข้อสรุปนั้นไปลงที่การเกิด "Acoustic resonance" ระหว่างวาล์วที่เปิดกับท่อเชื่อมต่อระหว่างตัววาล์วกับ header (ท่อหลักที่วาล์วระบายความดันทั้ง 4 ตัวเชื่อมต่ออยู่) คือจังหวะการสั่นนั้นไปทำให้เกิดคลื่นนิ่งที่มีจังหวะเดียวกันกับค่าความถี่การสั่นตามธรรมชาติ (natural frequency) ของตัววาล์วระบายความดัน จึงทำให้การสั่นเกิดรุนแรงขึ้นเรื่อย ๆ จนทำให้ nut คลายตัวออก แรงกดที่หน้าแปลนจึงหายไป โพรพิลีนจึงรั่วไหลออกมา

ปิดท้ายบทความชุดนี้ด้วยภาพเพลิงไหม้บริเวณหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีนจากบทความที่นำมาเล่าให้ฟังก็แล้วกัน

รูปที่ ๒๕ ภาพเพลิงไหม้บริเวณหอกลั่นแยกโพรเพน-โพรพิลีน

คราบสีขาวบน mechanical seal MO Memoir : Saturday 22 January 2565

ต้นเดือนสิงหาคมปีที่แล้ว มีคำถามเข้ามาทาง facebook จากศิษย์เก่าคนหนึ่งของภาควิชา ที่ทำงานบริษัทที่จำหน่าย mechanical seal ให้กับโรงงาน ปัญหาเขาเกี่ยวกับสิ่งที่ทางลูกค้าของเขาถามมา ซึ่งผมก็ได้ตั้งสมมุติฐานที่มาของปัญหาจากข้อมูลเท่าที่มีให้กับเขาไป ส่วนในความเป็นจริงนั้นมันเกิดจากอะไร ผมก็ไม่รู้เหมือนกัน เพราะเรื่องมันก็เงียบไป แต่ก็ขอเอาเรื่องราวการสนทนาวันนั้น มาบันทึกไว้เสียหน่อย โดยเรื่องเริ่มจากคำถามว่า

"อาจารย์คะ มีเรื่องสงสัยนิดนึง เกี่ยวกับ process ของ XXX หรือ XXXX ปัจจุบันค่ะ

ลูกค้าบอก process มันคือ propylene ปกติ colourless แต่ทำไมเวลาถอดมามักจะเจอคราบขาว ๆ เหมือนในรูปเหรอคะอาจารย์ ทั้งที่ temp 40ºC มันไม่น่าจะเกิด polymer ได้นะคะ

รูปที่เห็นเป็น part ของ mechanical seal ที่อยู่ใน pump ค่ะ (รูปที่ ๑ ข้างล่าง)

ส่วน process ผ่านอะไรมาบ้างอันนี้คงต้องถามลูกค้าดูอีกทีค่ะ"

รูปที่ ๑ คราบสีขาวบน mechanical seal ที่เขาส่งมาให้ดู

mechanical seal เป็นชิ้นส่วนที่ใช้ในการป้องกันการรั่วไหลตรงตำแหน่งที่มีการสอดเพลา (ที่หมุนได้) ผ่านรูบนพื้นผิว เช่นเพลามอเตอร์ที่สอดเข้าไปในตัวเรือนปั๊ม (housing หรือ casing) ในกรณีที่เป็นปั๊มหอยโข่งเพื่อหมุนใบพัดข้างใน หรือเพลาที่ใช้ในการหมุนใบพัดกวนภายใน vessel ตัว mechanical seal จะประกอบไปด้วยชิ้นส่วนสองส่วนหลักคือส่วนที่จับเข้ากับตัวเพลาและหมุนไปพร้อมกับตัวเพลา และส่วนที่ยึดติดกับตัวเรือนที่อยู่กับที่ โดยสองชิ้นส่วนนี้จะถูกกดให้แนบกันและมีการเสียดสีกันในขณะที่ชิ้นส่วนหนึ่งหมุนไปพร้อมเพลาในขณะที่อีกชิ้นส่วนหนึ่งอยู่กับที่

จากคำถามดังกล่าวผมก็ถามขอข้อมูลเพิ่มเติมกลับไปว่า

ปั๊มตัวนี้เป็นโพรพิลีนอย่างเดียวหรือเป็นโพรพิลีนละลายใน solvent ถ้าเป็นกรณีโพรพิลีนละลายใน solvent ตัว mechanical seal มีการใช้ solvent flushing ด้วยหรือเปล่าครับ หรือถ้าไม่มี flushing มันก็มีความร้อนที่เกิดจากการเสียดสีของตัว mechanical seal ที่อาจทำให้อุณหภูมิสูงพอที่จะเกิดเป็น oligomer (polymer สายโซ่สั้นที่ยังนำไปใช้ประโยชน์ไม่ได้) ก็ได้ครับ ผมว่าทางแลปวิเคราะห์ของเขาน่าจะมี FT-IR อยู่ น่าจะเองตัวอย่างไปลองวิเคราะห์ดูก็จะเห็นครับ ทำไม่ยาก ใช้เวลาไม่นานก็เห็นแล้วว่าใช่พอลิเมอร์หรือเปล่า

ซึ่งเขาก็ตอบกลับมาว่า

"มี Exxon D80 เป็น flushing oil ka"

รูปที่ ๒ ตัวอย่างหนึ่งของรูปแบบการ flushing ตัว mechanical seal ด้วยการใช้ของเหลวที่ออกจากปั๊มไหลเวียนกลับไปยัง mechanical seal การติดตั้งตัวกรอง (หรืออาจเป็น hydrocyclone) ก็เพื่อกรองเอาของแข็งออก (ถ้ามี) แต่ก็ต้องระวังเรื่องไส้กรองตัน เพราะถ้ามันตันเมื่อใดก็จะทำให้ mechanical seal ขาดของเหลวเข้าไปชะ ส่วน restriction orifice ก็มีไว้เพื่อป้องกันไม่ให้มีของเหลวไหลเข้า flushing มากเกินไป

mechanical seal มีพื้นผิวที่มีการหมุนขัดสีกัน ดังนั้นบริเวณนี้จะมีความร้อนเกิดขึ้น และถ้าในของเหลวนั้นมีของแข็งปะปนอยู่ด้วย ก็จะทำให้ mechanical seal เสียหายได้เร็วขึ้น วิธีการที่ใช้ในการระบายความร้อนและป้องกันไม่ให้ของเหลวเข้าไปในบริเวณดังกล่าวก็คือการใช้ solvent flushing คือการใช้ของเหลวในระบบนั้นเอง (ถ้าเป็นของเหลวสะอาด) หรือของเหลวจากแหล่งภายนอกที่เข้ากันได้กับของเหลวในระบบ (ปรกติก็จะเป็นของเหลวชนิดเดียวกัน) อัดเข้าไปตรงบริเวณ mechanical seal เพื่อระบายความร้อนและป้องกันไม่ให้ของแข็งเข้าไปก่อปัญหาในบริเวณดังกล่าว รูปที่ ๒-๔ เป็นตัวอย่างรูปแบบการใช้ solvent flushing ที่นำมาจาก "Annex D : Standard flush plans and auxiliary hardware ของ API 682 Pumps-Shaft sealing systems for centrifugal and rotary pumps"

ซึ่งผมก็ได้ให้ความเห็นต่อไปว่า

"ผมเดาว่ากระบวนการผลิตของเขามีการใช้ solvent และ solvent ตัวนั้นก็เป็นตัวเดียวกับ Exxon D80 (เพราะ flushing fluid มันจะถูกผสมเข้าไปในระบบ ดังนั้นมันต้องไม่รบกวนระบบ) ถ้าหากสิ่งที่พบคือ oligomer ของโพรพิลีน ตรงจุด mechanical seal คือจุดสัมผัสระหว่างโพรพิลีน (ใน solvent) กับ flushing solvent ประเด็นคำถามก็คือมีอะไรอยู่ใน flushing solvent หรือเปล่าที่ทำให้เกิดพอลิเมอร์ได้ที่บริเวณนั้น

ตามสมมุติฐานของผม คงต้องลองไล่ดูครับว่า flushing solvent มาจากไหน คงไม่ได้เอาของใหม่มาใช้ แต่อาจมาจากหน่วย solvent recovery หรือเปล่า (ตรงนี้ต้องไปดูกระบวนการผลิตของเขาครับว่าเป็นอย่างไร ผมได้แต่คาดเดา) ถ้าหากมาจากหน่วย solvent recovery ก็ต้องดูว่ามีความเป็นไปหรือไม่ที่จะมี co-catalyst (เช่นพวก alkyl aluminium) ติดมาด้วยครับ"

รูปที่ ๓ รูปนี้ต่างจากรูปที่ ๒ ตรงที่ให้ของเหลวด้านในไหลเข้าไป flushing และไหลเวียนกลับไปยังด้าน suction ของปั๊ม (ที่มีความดันต่ำกว่า) วิธีการนี้จะเหมาะก็ต่อเมื่อของเหลวในระบบนั้นเป็นของเหลวที่สะอาด

รูปที่ ๔ ระบบ flushing รูปแบบนี้จะต้องมีแหล่งจ่ายของเหลวภายนอก (ที่ต้องมีความดันสูงมากพอที่จะอัดของเหลว flushing เข้าไปในตัวปั๊ม) ของเหลวที่ใช้ในการ flushing นั้นต้องสามารถเข้ากับของเหลวที่ไหลเวียนในระบบได้ ปรกติก็จะใช้ของเหลว (หรือตัวทำละลาย) ชนิดเดียวกับที่ใช้ในระบบ

บทสนทนาช่วงต่อไปก็เป็นดังนี้

"แล้วถ้ามันอยู่ในถังเปิดใช้ใหม่ ประเด็น oil react with propylene ก็ตัดทิ้งได้เลยใช่มั้ยคะ"

"ถ้าเป็นถังเปิดใช้ใหม่ก็คงต้องตัดทิ้งไปครับ จะเหลือเพียงแค่ประเด็นว่ามีอะไรอยู่ในระบบหรือเปล่า เพียงแต่ว่าอุณหภูมิไม่สูงก็เลยไม่เกิด มาเกิดตรง mechanical seal ที่มีการเสียดสีและเกิดความร้อนหรือเปล่าครับ งานนี้คงต้องทะเลากับทาง process กันน่าดู"

"Temp เท่าไหร่ propylene มันถึงเริ่มเป็น polymer เหรอคะอาจารย์ อย่าง styrene 100 นิด ๆ ก็เริ่มเกิดล่ะ"

"อุณหภูมิห้องก็เริ่มเกิดได้ครับ แต่เกิดได้ช้าครับ"

"โดยที่ไม่มีตัวเร่งอะไรเลยนะคะอาจารย์"

"มันควรต้องมีครับ"

จากข้อมูลที่เขาให้มาพอจะคาดเดาได้ว่าปั๊มตัวนี้น่าจะใช้ในกระบวนการผลิต polypropylene แบบ slurry phase ที่มีการใช้ตัวทำละลายทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการทำปฏิกิริยาและเป็น heat sink รับความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมา ในการทำปฏิกิริยานั้นจำเป็นต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยา (catalyst) ซึ่งเป็นสารประกอบโลหะทรานซิชัน และตัวเร่งปฏิกิริยาร่วม (co-catalyst) ที่มักเป็นสารในตระกูล alkyl aluminium (หรือสารอื่นในทำนองเดียวกัน) alkyl aluminium สามารถทำให้โมเลกุลโพรพิลีนต่อเป็นสายโซ่ยาวได้ แต่จะไม่ยาวจนเป็นพอลิเมอร์ ตัวที่ผมตั้งสมมุติฐานว่าเป็นตัวก่อปัญหาก็คือตัว co-catalsyt นี้ เพราะมันมีการใช้ในปริมาณที่มากกว่าตัว catalyst และละลายได้ดีในตัวทำละลายที่ใช้

อีกเหตุผลหนึ่งคือก่อนหน้านี้ตอนฝึกงานปี ๒๕๖๓ มีนิสิตที่ไปฝึกงานที่บริษัทดังกล่าว (ไม่รู้ว่าเป็นโรงงานเดียวกันหรือเปล่า แต่สงสัยว่าน่าจะเป็นโรงงานเดียวกัน) สอบถามมาเรื่องการออกแบบ scrubber สำหรับโพรพิลีน เพื่อกำจัดสารปนเปื้อนในตัวโพรพิลีนก่อนนำกลับไปใช้งานใหม่ โดยสารปนเปื้อนนั้นก็คาดว่าเป็นพวก alkyl aluminium นั่นเอง

ส่วนข้อสรุปสุดท้ายเป็นยังไงก็ไม่รู้เหมือนกัน เพราะเหมือนกับรายก่อนหน้านี้ที่มักมีคำถามมาของแนวทางแก้ไข แต่สุดท้ายก็ไม่มีการแจ้งกลับมาว่าที่ตั้งสมมุติฐานเอาไว้นั้นมีถูกต้องหรือไม่

เพลิงไหม้จากเฮกเซนที่รั่วจากหน้าแปลนที่น็อตคลายตัวจากการสั่น MO Memoir : Sunday 7 November 2564

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Fire caused due to a flange loosened from vibrations at a synthetic rubber plant" (http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200084.html) เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในโรงงานผลิตยางสังเคราะห์ Ethylene-Propylene (ยาง EP) เมื่อวันที่ ๑ ธันวาคม ๒๕๔๓ เวลาประมาณ ๑๕.๓๕ น แผนผังกระบวนการผลิตของหน่วยที่เกิดเหตุแสดงไว้ในรูปที่ ๑ ข้างล่าง

รูปที่ ๑ แผนผังส่วนที่เกิดเหตุ ปั๊มตัวที่เกิดเหตุคือ P-103B ที่ทำหน้าที่สูบเฮกเซนจาก R-102 ไปยัง washing section และอีกตัวที่เกี่ยวข้องคือ P-103G

บทความบรรยายเหตุการณ์เอาไว้ว่า ปั๊ม P-103G (ที่ท่อด้านขาออกนั้นมีการใช้งานร่วมกับปั๊ม P-103B) เกิด cavitation (ด้วยสาเหตุที่ไม่ทราบแน่ชัด) ประกอบกับด้านขาออกของปั๊ม P-103B ที่มีขนาด 3 นิ้วนั้น ถูกต่อตรงเข้ากับ reducer ขนาด 6 นิ้ว (คือไม่มีท่อสั้น ๆ ที่เรียกว่า spool piece เป็นตัวเชื่อมต่อ) ประกอบกับการที่ท่อมีขนาดแตกต่างกันมากจึงทำให้น็อตยึดหน้าแปลนนั้นคลายตัวได้เร็วขึ้น ทำให้เฮกเซนรั่วออกมาก่อนที่จะเกิดเพลิงไหม้

ย่อหน้าข้างบนคือสรุปเนื้อหาในบทความต้นฉบับที่เขียนไว้สั้น ๆ ประมาณสิบบรรทัดเศษ ต่อไปจะเป็นการขยายภาพเหตุการณ์โดยอาศัยความรู้ที่พอมีอยู่บ้าง เพื่อให้ผู้ที่กำลังศึกษาอยู่นั้นมองภาพเหตุการณ์ที่เกิดได้ชัดเจนขึ้น

เอทิลีน (Ethylene H₂C=CH₂) และโพรพิลีน (Propylene H₃CCH=CH₂) เกิดเป็นพอลิเมอร์ได้ไม่ง่าย เว้นแต่มีตัวเร่งปฏิกิริยาช่วย เนื่องจากการต่อโมเลกุลเข้าด้วยกันนั้นมีการคายความร้อนออกมา ดังนั้นการพอลิเมอร์ไรซ์จึงต้องหาทางระบายความร้อนนี้ออกด้วย และเทคนิคหนึ่งที่ใช้คือการใช้ตัวทำละลาย

ตัวทำละลายทำหน้าที่เป็นทั้งตัวกลางสำหรับละลายสารตั้งต้น (เอทิลีนและโพรพิลีนที่เป็นแก๊ส) และตัวเร่งปฏิกิริยา และเป็น heat sink สำหรับรับความร้อนที่ปฏิกิริยาคายออกมา ในกระบวนการนี้ตัวทำละลายที่ใช้คือเฮกเซน (Hexane C₆H₁₄) ซึ่งเป็นโมเลกุลไม่มีขั้วเช่นเดียวกับสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์ จากสารตั้งต้นที่เป็นแก๊ส เมื่อมีการต่อเป็นโมเลกุลใหญ่ขึ้น (เป็น oligomer ก่อน จากนั้นจึงค่อยกลายเป็น polymer) ความสามารถในการละลายในตัวทำละลายจะลดลง แต่ถ้าอุณหภูมิสูงพอ มันก็ยังละลายอยู่ในตัวทำละลายนั้นได้ แต่ถ้าตำแหน่งไหนของระบบ (ตัว vessel หรือระบบท่อ) มีอุณหภูมิต่ำเกินไป โมเลกุลขนาดใหญ่ที่ละลายอยู่ในตัวทำละลายก็จะแข็งตัวเกาะอยู่บนพื้นผิวนั้น ก่อให้เกิดปัญหาเรื่องการถ่ายเทความร้อนและ/หรือการไหลได้

กระบวนการในรูปที่ ๑ นั้นจะเห็นว่ามีปั๊ม P-103 อยู่ 2 ตัวคือ P-103A P-103B พึงสังเกตว่าปั๊มแต่ละตัวมีท่อต่อแยกอิสระเข้าไปยัง R-102 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าท่อบริเวณระหว่าง R-102 และปั๊ม P-103 นั้นมีโอกาสเกิดการอุดตัน จึงต้องมีการเดินท่อสำรองแยกออกจากกัน เมื่อเกิดปัญหาเกิดการอุดตันที่ท่อหนึ่ง ก็จะเปลี่ยนไปใช้อีกท่อหนึ่งแทน

จากแผนผัง ตัว R-102 น่าจะทำหน้าที่เป็น liquid-gas separator คือการเกิดปฏิกิริยาการพอลิเมอร์ไรซ์นั้นจะเกิดภายใต้ความดันระดับหนึ่งเพื่อเพิ่มการละลายของเอทิลีนและโพรพิลีนในเฮกเซน เฮกเซนที่ออกมาจาก reactor จะมีสารตั้งต้นที่หลงเหลือจากการทำปฏิกิริยา, oligomer (ที่ควรละลายอยู่ในเฮกเซน), และ polymer ที่อาจละลายอยู่ (ถ้าเป็น solution phase) หรือแขวนลอยอยู่ (ถ้าเป็น slurry phase) ซึ่งขึ้นอยู่กับว่ากระบวนการพอลิเมอร์ไรซ์เป็นแบบไหน การแยกเอาสารตั้งต้นที่ละลายอยู่นั้นทำได้ด้วยการลดความดัน เช่นการถ่ายเฮกเซนจาก reactor ที่ความดันสูงมายัง R-102 ที่ความดันที่ต่ำกว่า เอทิลีนและโพรพิลีนก็จะระเหยออกมาจากตัวทำละลาย

ปั๊มที่แสดงในรูปนั้นควรจะเป็นปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) และเพื่อทำให้ปั๊มทำงานได้เรียบร้อยจึงมีการติดตั้งระบบ flushing คือการใช้ตัวทำละลายที่สะอาดอัดเข้าไปบริเวณ mechanical seal (ตัวนี้เป็น moving part ที่ทำหน้าที่ป้องกันการรั่วไหลจากภายในตัวปั๊มออกมาข้างนอก) เฮกเซนที่สะอาดนี้จะป้องกันไม่ให้สิ่งแปลกปลอม (เช่นผงอนุภาคพอลิเมอร์ที่แขวนลอยอยู่) เข้ามาสะสมบริเวณตัว mechanical seal

ปั๊มหอยโข่งเวลาทำงานตามปรกติตัวระบบท่อก็ไม่ค่อยมีการสั่นอะไรอยู่แล้ว แต่ถ้าเป็นกรณีที่การไหลไม่ราบเรียบเช่นมีปัญหาด้านขาเข้าทำให้เกิด cavitation ก็อาจทำให้ท่อเกิดการสั่นมากผิดปรกติได้ ซึ่งในบทความนี้กล่าวไว้เพียงว่าไม่ชัดเจนว่าปั๊ม P-103G เกิด cavitation ได้อย่างไร โดยความเห็นส่วนตัวคิดว่าท่อเข้าปั๊ม P-103A ที่เป็นตัวหลักนั้นเกิดปัญหาอุดตัน จึงมีการเปลี่ยนไปใช้ปั๊ม P-103B แทน ท่อเข้าปั๊ม P-103G นั้นเป็นท่อเดียวกับท่อเข้าปั๊ม P-103A นั้น ดังนั้นเมื่อท่อนี้อุดตันจึงสามารถก่อปัญหาให้กับปั๊มสองตัวนี้พร้อมกันได้ และนี่อาจเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิด caviation

เป็นเรื่องปรกติที่การสั่นนั้นสามารถทำให้น็อต (ไม่ว่าจะยึดอะไร) สามารถคลายตัวได้ บทความต้นฉบับยังตั้งคำถามว่าเป็นเรื่องยากที่จะเข้าใจว่าทำไม cavitation ที่รุนแรงจนทำให้เกิดการสั่นที่ทำให้น็อตยึดหน้าแปลนคลายตัวได้นั้นจึงไม่ได้รับความใส่ใจ แต่โดยส่วนตัวคิดว่าคำถามหนึ่งที่น่าจะถามก็คือ นับตั้งแต่เริ่มเกิด cavitation จนกระทั่งเกิดการรั่วไหลนั้นกินเวลานานเท่าใด โอเปอร์เรเตอร์คงไม่ปล่อยให้ปั๊มทำงานทั้ง ๆ ที่เกิด cavitation ข้ามกะแน่ เพราะการทำงานปรกติต้องมีการเตินตรวจอยู่แล้ว และเสียงผิดปรกติก็เป็นสิ่งที่ดึงความสนใจได้ดี เป็นไปได้หรือเปล่าที่เหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นในเวลาที่สั้น (กล่าวคือเพียงแค่ไม่กี่ชั่วโมงหรือช่วงระยะเวลาระหว่างการเดินตรวจแต่ละครั้ง) จึงทำให้มันหลุดรอดการตรวจพบไปได้

แก๊สรั่วจนเกิดเพลิงไหม้เพราะลืมปิดวาล์วเก็บตัวอย่าง MO Memoir : Tuesday 9 March 2564

อุบัติเหตุที่เกิดจากการที่วาล์วเก็บตัวอย่างจากระบบที่มีความดันเปิดค้างเอาไว้ ที่รุนแรงที่สุดเห็นจะได้แก่กรณีเหตุการณ์ที่เมือง Feyzin ประเทศฝรั่งเศสในปีค.ศ. ๑๙๖๖ (พ.ศ. ๒๕๐๙) ที่ทำให้แก๊สโพรเพนรั่วไหลออกมาเป็นจำนวนมากก่อนเกิดการระเบิดและตามการเกิด BLEVE (Boiling liquid expansion vapour explosion) ในเวลาถัดมา

บทเรียนหนึ่งที่ได้จากเหตุการณ์นั้นคือวาล์วเก็บตัวอย่างควรเป็นชนิดทื่ค้างอยู่ในตำแหน่งปิด (เช่นใช้แรงดันของสปริงดันให้วาล์วปิดอยู่เสมอ) เว้นแต่มีแรงมากระทำเพื่อเปิดวาล์ว แต่ถึงกระนั้นก็ตามบทเรียนดังกล่าวก็ไม่ได้รับการถ่ายทอดอย่างทั่วถึงไปยังผู้ออกแบบระบบท่อ จึงทำให้ยังมีการเกิดเหตุการณ์แบบทำนองเดียวกันได้ แม้ว่าเวลาจะผ่านไปถึง ๓๐ ปี

เรื่องที่นำมาเล่าในวันนี้นำมาจากบทความเรื่อง "Fire caused due to incorrect opening of valves during sampling operation at a polypropylene manufacturing plant" ที่เป็นเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ ๘ มีนาคม ค.ศ. ๑๙๙๖ (พ.ศ. ๒๕๓๙) (จากเว็บ http://www.shippai.org/fkd/en/cfen/CC1200065.html) เป็นอุบัติเหตุที่เกิดขึ้นระหว่างการเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์ไปตรวจสอบ แผนผังกระบวนการผลิตแสดงไว้ในรูปที่ ๑

รูปที่ ๑ แผนผังของระบบเก็บตัวอย่างที่เกิดเหตุ แม้ว่าบทความจะไม่ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับกระบวนการผลิตเอาไว้ แต่วิเคราะห์จากรูปและสิ่งที่รั่วไหลออกมาทำให้คาดว่าน่าจะเป็นการผลิตที่ใช้ loop reactor และใช้ตัวสารตั้งต้น (propylene) นั้นเป็นตัวทำละลาย คือใช้ความดันกดให้มันเป็นของเหลวแม้ว่ามันจะมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดที่อุณหภูมิห้อง สำหรับผู้ที่ยังไม่รู้ว่า loop reactor มีหน้าตาอย่างไรก็สามารถอ่านได้จากบทความเรื่อง "Loop reactor สำหรับการผลิต polyolefins" ใน memoir ฉบับวันจันทร์ที่ ๒ ธันวาคม ๒๕๖๒ ผงพอลิเมอร์ (ที่เป็นของแข็ง) จะไหลออกจาก reactor ไปยัง degassing drum D-301 ซึ่งจะลดความดันเพื่อแยกเอาโพรพิลีนกลับไปทำปฏิกิริยา ตัว sampling pot ที่เป็นจุดเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์จะอยู่ข้างใต้ degassing drum นี้

เพื่อความปลอดภัยแล้วไม่ควรที่จะเก็บตัวอย่าง (ไม่ว่าจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส) จากระบบที่มีความดันสูงและมีขนาดใหญ่โดยตรง แต่ควรทำการติดตั้ง sampling pot ที่มีขนาดพอเหมาะ (คือใหญ่เพียงพอสำหรับตัวอย่างที่ต้องการเก็บแต่ละครั้ง รวมทั้งที่ต้องใช้สำหรับการ purge ภาชนะเก็บตัวอย่าง) โดยหลักก็คือทำการถ่ายสารในระบบความดันสูงนั้นเข้าสู่ sampling pot ก่อน จากนั้นจึงปิดวาล์วเชื่อมต่อระหว่างระบบความดันสูงกับ sampling pot แล้วจึงค่อยถ่ายสารใน sampling pot นั้นเข้าสู่ภาชนะเก็บตัวอย่างอีกที ส่วนที่ว่าตัว sampling pot ควรต้องมีท่อ vent, drain และ/หรือ purge ด้วยหรือไม่นั้นก็คงขึ้นอยู่กับว่าตัวอย่างเป็นอะไร (ดูตัวอย่างในรูปที่ ๒)

 

รูปที่ ๒ ตัวอย่างวิธีการเก็บสารตัวอย่างจากระบบที่ความดันสูง รูปนี้นำมาจาก Memoir วันอาทิตย์ที่ ๑ มีนาคม ๒๕๖๓ เรื่อง "การเก็บตัวอย่างแก๊ส/ของเหลวจากระบบความดันสูง (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติตอนที่ ๑๐๐)" ที่เขียนขึ้นหลังจากมีอุบัติเหตุทำนองเดียวกันนี้ในห้องแลป

วาล์วที่ใช้ในการควบคุมการถ่ายสารจาก sampling pot เข้าสู่ภาชนะเก็บตัวอย่างก็ควรเป็นชนิด spring-loaded คือใช้แรงสปริงหมุนวาล์วให้อยู่ในตำแหน่งปิดเสมอ เวลาจะเปิดโอเปอร์เรเตอร์ก็ต้องออกแรงหมุนต้านแรงสปริงเพื่อเปิดวาล์ว และถ้าเอาแรงหมุนออกเมื่อใดวาล์วก็จะปิดตัวเอง วาล์วแบบนี้ก็มีข้อดีคือไม่ต้องกังวลว่าจะมีการเปิดวาล์วทิ้งเอาไว้

รูปที่ ๓ คำบรรยายเหตุการณ์ที่นำไปสู่การรั่วไหลและเพลิงไหม้ตามมา

แม้ว่าบทความจะไม่ได้กล่าวไว้ชัดเจนว่า reactor เป็นแบบไหน แต่จากรูปที่วาดไว้ (รูปที่ ๑) และตำแหน่งเก็บตัวอย่างที่อยู่ที่ชั้นที่ 4 และ 5 ของอาคาร (รูปที่ ๓) แสดงว่า reactor น่าจะเป็นแบบ loop reactor ถ้าสงสัยว่ามันสูงแค่ไหนก็ย้อนไปดูรูปได้ใน Memoir ฉบับวันอังคารที่ ๒๔ กันยายน ๒๕๕๖ เรื่อง "โรงงาน HDPE ระเบิดที่ Pasadena เมื่อ ๒๓ ตุลาคม ๒๕๓๒" ได้

การเกิดปฏิกิริยาใน loop reactor จะมีโพรพิลีนเหลวไหลวนเวียนอยู่ภายใน โดยมีผงพอลิเมอร์ที่เกิดขึ้นนั้นไหลวนเวียนไปด้วยกัน การแยกเอาผงพอลิเมอร์ออกเริ่มด้วยการดึงเอาสารที่ไหลอยู่ใน loop reactor ส่งไปยัง degassing tank ที่จะทำการลดความดันเพื่อให้โพรพิลีนระเหยกลายเป็นไอออกไป (และนำกลับไปทำปฏิกิริยาใหม่ได้) ส่วนผงพอลิเมอร์ก็จะตกค้างอยู่ใน degassing tank นี้ และถูกดึงออกทางด้านล่างเพื่อส่งเข้าสู่กระบวนการทำให้เป็นเม็ดพลาสติกต่อไป

ในการเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์นั้น โอเปอร์เรเตอร์ต้องเปิดวาล์วอัตโนมัติที่ใช้อากาศขับเคลื่อน (air driven automatic valve) ที่อยู่บนชั้น ๕ ของอาคารเพื่อให้ผงพอลิเมอร์ใน degassing tank ไหลลงสู่ sampling pot ที่อยู่ต่ำกว่า แต่กลับพบว่าเกิดไฟไหม้ที่วาล์วตัวล่างของ sampling pot ที่อยู่ที่ชั้น ๔ ผลการสอบสวนพบว่าวาล์วตัวดังกล่าวถูกเปิดทิ้งไว้ จึงทำให้แก๊สโพรพิลีนที่ไหลออกมาจาก degassing gas นั่นรั่วออกพร้อมผงพอลิเมอร์ทางวาล์วเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์นี้ ส่วนสาเหตุที่ทำให้เกิดการลุกติดไฟนั้นคาดว่าน่าจะเกิดจากไฟฟ้าสถิต

ในการถ่ายผงพอลิเมอร์จาก degassing tank เข้าสู่ sampling pot ก็จะมีแก๊สโพรพิลีนตามมาด้วยอยู่แล้ว พอถ่ายผงพอลิเมอร์มาได้ตามปริมาณต้องการ ก็จะปิดวาล์วเชื่อมระหว่าง degassing tank กับ sampling pot ขั้นตอนถัดไปก็น่าจะเป็นการ vent แก๊สโพรพิลีนออกจาก sampling pot และทำการ purge ไล่โพรพิลีนที่ค้างอยู่ให้หมดด้วยแก๊สเฉื่อย (ก็ควรจะเป็นไนโตรเจน) จากนั้นจึงค่อยเก็บตัวอย่างผงพอลิเมอร์จากทางด้านล่างของ sampling pot

บทความนี้เห็นว่ามีบางประเด็นที่น่าสนใจคือคำแนะนำสำหรับการป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์เช่นนี้อีก ซึ่งนำมาแสดงไว้ในรูปที่ ๔ ข้างล่าง ลองอ่านเองดูก่อนนะครับ

รูปที่ ๔ คำแนะนำสำหรับการป้องกันไม่ให้เกิดเหตุการณ์เช่นนี้อีกในบทความ

คำแนะนำเริ่มจากการให้ปรับปรุงโครงสร้าง เพื่อให้ไม่สามารถเปิดวาล์วที่ด้านล่างของ degassing drum ได้ในขณะที่วาล์วที่ส่วนล่างของ sample pot "is closed" หรือ "ปิดอยู่" ตรงจุดนี้ผมว่าน่าจะเป็น "is opened" หรือ "เปิดอยู่" นะ นั่นคือให้มีการติดตั้ง interlock สำหรับ air valve (ที่อยู่ที่ด้านล่างของ degassing drum) เข้ากับตัว sampling pot

บทความไม่ได้ให้รายละเอียดอะไรเกี่ยวกับการทำงานเลย ก็เลยสงสัยว่าการใช้ spring-loaded valve เป็นวาล์วสำหรับเก็บตัวอย่างจะไม่เป็นการแก้ปัญหาที่ง่ายกว่าหรือ เพราะมันจะไม่มีปัญหาเรื่องการลืมปิดวาล์ว และไม่ต้องไปยุ่งอะไรกับตัว air valve ด้วย หรือว่าตัวโรงงานเองมีข้อจำกัดอะไร จึงทำให้แก้ปัญหาด้วยวิธิการง่าย ๆ เช่นนี้ไม่ได้

"human error" ดูเหมือนจะเป็นข้อสรุปที่นิยมใช้กันเพื่อทำให้เรื่องมันจบลงได้เร็วที่สุดด้วยการโยนความผิดทั้งหมดไปที่โอเปอร์เรเตอร์ ทั้ง ๆ ที่ในหลายเหตุการณ์นั้นจะว่าไปแล้วมันมีต้นตอมาจากการออกแบบที่ไม่ได้คำนึงว่าเปิดโอกาสให้คนทำผิดพลาดได้ และความผิดพลาดเช่นนั้นไม่ได้เกิดขึ้นเป็นครั้งแรก แต่เกิดเคยขึ้นมาก่อนและก็มีการเผยแพร่จนเป็นที่ทราบกันทั่วไปว่าเพื่อป้องกันไม่ให้เหตุการณ์ทำนองเดียวกันนี้เกิดขึ้นอีก การออกแบบควรต้องทำอย่างไร

ว่าด้วยการออกแบบระบบ Scrubber (เก็บตกฝึกงานฤดูฝน ๒๕๖๓) MO Memoir : Thursday 9 July 2563

เรื่องนี้เริ่มจากคำถามที่ได้รับมาจากนิสิตฝึกงาน (ช่วงนี้ปิดเทอมใหญ่ในฤดูฝน ดังนั้นการฝึกงานก็ต้องเป็นภาคฤดูฝน) โดยนิสิตที่ไม่เคยมีประสบการณ์ได้เห็นของจริง ต้องมาฝึกงานแบบ work from home แบบไม่มีโอกาสได้เห็นของจริง แต่ได้รับมอบหมายงานออกแบบกระบวนการ โดยที่แทบไม่มีข้อมูลอะไรเลย เว้นแต่ว่าเมื่อออกแบบไปแล้ว แล้วได้รับคำตอบกลับมาว่าให้ใช้วิธีอื่น

 

ปัญหาของเขาคือทางโรงงานมีไฮโดรคาร์บอนเบา (Light hydrocarbon) ที่เป็นของเหลวภายใต้ความดัน (แปลว่ามันมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ แต่ใช้ความดันช่วยเอาไว้จึงทำให้มันเป็นของเหลว) ที่ออกมากระบวนการผลิต ไฮโดรคาร์บอนเบานี้มีสารปนเปื้อนอยู่ที่ระดับความเข้มข้นต่ำ แต่จำเป็นต้องกำจัดออกก่อนนำกลับไปใช้ใหม่ การกำจัดนั้นจะใช้การทำปฏิกิริยากับสารอีกตัวหนึ่ง (Reactant) แต่ด้วยการที่สารปนเปื้อนนั้นมีความเข้มข้นต่ำ จึงใช้การละลาย Reactant เข้าไปใน Heavy oil (ในที่นี้คือไฮโดรคาร์บอนที่มีจุดเดือดแตกต่างจาก Light hydrocarbon มาก) แล้วจึงให้ Light hydrocarbon นั้นสัมผัสกับ Heavy oil ที่มี Reactant ผสมอยู่

รูปที่ ๑ แผนผังคร่าว ๆ ของระบบ scrubber ที่ใช้ในการออกแบบเบื้องต้น

เนื่องจากสารทั้งคู่เป็นไฮโดรคาร์บอน ดังนั้นถ้าให้สัมผัสกันในเฟสของเหลว-ของเหลว มันก็จะละลายเข้าด้วยกัน ก่อให้เกิดปัญหาการแยก Light hydrocarbon ออกจาก Heavy oil อีก ดังนั้นทางเลือกหนึ่งที่ทำได้ก็คือการเปลี่ยน Light hydrocarbon นั้นให้กลายเป็นแก๊สก่อน แล้วจึงค่อยสัมผัสกับ Heavy oil ที่เป็นของเหลวในรูปแบบ scrubber ดังแสดงในรูปที่ ๑ ที่แก๊สไหลจากล่างขึ้นบนในขณะที่ของเหลวไหลจากบนลงล่าง ถ้าอุณหภูมิการสัมผัสนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของ Light hydrocarbon ณ ความดันที่ทำการสัมผัสอยู่มาก ก็อาจถือได้ว่าปริมาณ Light hydrocarbon ที่ละลายเข้าไปใน Heavy oil นั้นต่ำมากหรือเป็นศูนย์ได้ ตัว Heavy oil ที่ออกจาก scrubber จะถูกนำกลับไปใช้งานใหม่

  

เมื่อพิจารณาปฏิกิริยาระหว่างสารปนเปื้อนกัน Reactant แล้วคาดว่าน่าจะเกิดผลิตภัณฑ์สองตัว ตัวแรกนั้นเป็นไฮโดรคาร์บอนเบาที่มีอยู่แล้วใน Light hydrocarbon ที่ป้อนเข้ามา แต่ตัวที่สองนั้นเนื่องจากเป็นสารประกอบโลหะ (ที่ไม่ได้อยู่ในรูป organometallic compound) จึงคาดว่าน่าจะเป็นของแข็ง แต่ด้วยการที่มันมีความเข้มข้นที่ต่ำ และด้วยอัตราการไหลของ Heavy oil ที่สูง (เมื่อเทียบกับปริมาณของแข็งที่มีโอกาสเกิด) จึงคาดว่าของแข็งที่เกิดขึ้นน่าจะถูก Heavy oil ชะล้างออกมาจาก packing ในตัว scrubber แต่จำเป็นต้องมีการดักเอาไว้ก่อนที่จะเอา Heavy oil นี้กลับไปใช้งานใหม่

  

การแยกของแข็งที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวทำได้หลายวิธี การกรองก็เป็นวิธีการหนึ่งที่เหมาะกับกรณีที่ของแข็งและของเหลวนั้นความหนาแน่นต่างกันไม่มาก (เช่นผงพอลิเมอร์ในไฮโดรคาร์บอน) แต่ต้องคอยทำความสะอาดไส้กรองเวลาที่มันอุดตัน ในกรณีที่ของแข็งนั้นมีความหนาแน่นสูงกว่าของเหลวมาก การใช้การตกตะกอนก็เป็นวิธีการหนึ่งในการแยกเอาของแข็งออก การตกตะกอนนี้ทำได้ในถังพักที่มีพื้นที่หน้าตัดการไหลที่ใหญ่เมื่อเทียบกับอัตราการไหลของของเหลวที่ป้อนเข้ามา (เพื่อลดความเร็วของเหลวให้ต่ำลง จะได้ลดการพัดพาตะกอนไปกับของเหลว) การตกตะกอนนี้ยังใช้ได้สำหรับการแยกของเหลวสองเฟสที่ไม่ละลายเข้าด้วยกัน (เช่นน้ำกับน้ำมัน) 

  

การใช้ cyclone หรือเครื่อง centrifuge ก็เป็นวิธีการที่สามารถนำมาใช้ในการแยกของแข็งออกจากของเหลวได้ แต่การใช้ cyclone นั้นของเหลวที่ไหลเข้า cyclone ต้องมีความเร็วที่สูง ในขณะที่การใช้เครื่อง centrifuge นั้นจะเป็นการเพิ่มเครื่องจักรกลที่มี moving part ที่ต้องการการดูแล และไม่เหมาะกับกรณีของของเหลวที่มีของแข็งความเข้มข้นต่ำปะปนอยู่ ดังนั้นในกรณีนี้ทางเลือกที่น่าจะเหมาะสมที่สุดน่าจะเป็นการใช้การตกตะกอนในถังตกตะกอน (Settling drum)

 

ส่วนที่ทำหน้าที่เป็นถังตกตะกอนนั้นอาจเป็น ส่วนล่างของตัว scubber, ถังแยกออกมาต่างหากเพื่อทำหน้าที่นี้ หรือตัวถังเก็บ Heavy oil ก่อนนำกลับไปใช้งานใหม่ ตรงนี้ก็แล้วแต่การออกแบบและข้อกำหนดเฉพาะของแต่ละกระบวนการ

  

ประเด็นถัดมาที่ต้องพิจารณาคือการทำให้ของเหลวภายใต้ความดันนั้นกลายเป็นแก๊สก่อนเข้าสู่ scrubber และกลับเป็นของเหลวใหม่อีกครั้งหลังออกจาก scrubber ซึ่งสองประเด็นนี้มันผูกพันกันอยู่

แนวทางแรกในการทำให้ของเหลวภายใต้ความดันกลายเป็นแก๊สก็คือการลดความดันของมันให้ต่ำลง ซึ่งอาจทำได้ด้วยการใช้วาล์วลดความดัน (Pressure reducing valve) หรือการใช้วาล์วควบคุม (control valve) ร่วมกับอุปกรณ์วัดคุม (รูปที่ ๑) การใช้วิธีการนี้ควรต้องพึงคำนึงเรื่อง Joule-Thompson effect เอาไว้ด้วย เพราะการขยายตัวผ่านวาล์วนั้นอาจทำให้อุณหภูมิลดต่ำลงจนอาจเกิดน้ำแข็งเกาะนอกตัววาล์ว หรือถ้าของเหลวนั้นมีน้ำปะปนอยู่ก็อาจเกิดน้ำแข็งในท่อได้

รูปที่ ๒ การเปลี่ยนของเหลวภายใต้ความดันให้กลายเป็นแก๊สอาจทำได้โดย (1) การใช้วาล์วลดความดัน (2) การใช้วาล์วควบคุมร่วมกับอุปกรณ์วัดและควบคุมความดัน หรือ (3) การใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต้มของเหลวนั้นให้เดือดโดยไม่จำเป็นต้องลดความดัน

  

การลดความดันมันก็มีข้อดีหลายประการ เช่น ตัว scrubber และอุปกรณ์อื่นที่ประกอบอยู่ (เช่น settling drum หรือ heavy oil tank) ไม่จำเป็นต้องทนความดันสูงตามไปด้วย การทำงานที่อุณหภูมิต่ำยังลดโอกาสที่ Heavy oil จะระเหยกลายเป็นไอติดไปกับไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกไปจาก scrubber และการทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอนเบาก็ลดโอกาสที่ไฮโดรคาร์บอนเบาจะละลายเข้าไปใน Heavy oil แต่ก็มีข้อเสียก็คือต้องไปใช้พลังงานมากขึ้นในส่วนของการทำให้ไอไฮโดรคาร์บอนเบานั้นกลับกลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกครั้ง

  

อีกวิธีการหนึ่งสำหรับทำให้ไฮโดรคาร์บอนเบากลายเป็นแก๊สก็คือการต้มให้ไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวนั้นให้เดือดกลายเป็นไอ ณ ความดันนั้นเลยโดยไม่จำเป็นต้องลดความดัน วิธีการนี้จะมีข้อเสียตรงที่อาจมีไอระเหยของ Heavy oil ติดไปกับไฮโดรคาร์บอนเบามากขึ้นเพราะอุณหภูมิการทำงานสูงขึ้น และอุณหภูมิของ Heavy oil นั้นไม่ควรต่ำกว่าอุณหภูมิจุดเดือดของไฮโดรคาร์บอนเบา ไม่เช่นนั้นไอของไฮโดรคาร์บอนเบาจะควบแน่นเมื่อสัมผัสกับ Heavy oil ที่เย็นกว่าและละลายผสมไปกับ Heavy oil ตัว scrubber และอุปกรณ์อื่นที่ประกอบอยู่จำเป็นต้องรับความดันการทำงานที่สูงขึ้นได้ ต้องมีแหล่งให้พลังงานความร้อนเพื่อต้มไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวให้เดือด แต่ก็มีข้อดีคือไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานมากในการทำให้ไอไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกครั้ง เพราะเป็นการปั๊มของเหลวความดันต่ำให้เป็นความดันสูงซึ่งใช้พลังงานน้อยกว่า

รูปที่ ๓ ตัวอย่างแนวทางการเปลี่ยนไอไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นของเหลวความดันสูง (A) จะเป็นกรณีของการใช้การลดความดันเพื่อเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาให้กลายเป็นแก๊สก่อนเข้า scrubber ส่วน (B) เป็นกรณีของการใช้การต้ม

การเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกจาก scrubber ให้กลายเป็นของเหลวความดันสูงอีกขึ้นอยู่กับวิธีการเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาที่เป็นของเหลวภายใต้ความดันให้กลายเป็นแก๊สก่อนเข้า scrubber ในกรณีที่เลือกใช้การลดความดันก็จำเป็นต้องใช้ compressor ในการเพิ่มความดัน ถ้าเลือกใช้วิธีการนี้ก็คงต้องมีการพิจารณาว่าจำเป็นต้องติดตั้ง Knock out drum เอาไว้ดักละอองของเหลวก่อนเข้า compressor หรือไม่ หรืออาจพิจารณาการติดตั้ง mist eliminator ไว้ที่ด้านบนของ scrubber ด้วยก็ได้

(mist eliminator มีลักษณะเป็นวัสดุพรุนมีช่องทางการไหลที่คดเคี้ยวที่แก๊สไหลผ่านได้ แต่หยดของเหลวที่ติดมากับแก๊สจะพุ่งเข้าชนตัว mist eliminator รวมตัวกันเป็นหยดของเหลวที่ใหญ่ขึ้นและไหลตกกลับลงมา ส่วน knock out drum ทำงานด้วยการเพิ่มพื้นที่หน้าตัดการไหล ความเร็วแก๊สจะลดลง ของเหลวก็จะตกลงล่างไม่ไหลตามแก๊ส

  

ไฮโดรคาร์บอนเบาความดันต่ำที่ออกจาก scrubber จะถูกอัดให้มีความดันสูงขึ้น (โดยมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นตามไปด้วย) จากนั้นจึงค่อยผ่านเข้าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนเพื่อควบแน่นให้กลายเป็นของเหลวก่อนใช้ปั๊มส่งกลับคืนเข้าระบบ ดังแสดงในรูปที่ ๓ (A) 

   

แต่ถ้าเป็นการใช้การต้มให้เดือดก็ใช้เพียงแค่เครื่องควบแน่นติดดักเอาไว้ที่ท่อทางออกจาก scrubber ก่อนใช้ปั๊มสูบของเหลวส่งกลับคืนระบบ ดังแสดงในรูปที่ ๓ (B) การควบแน่นที่เครื่องควบแน่นจะทำให้เกิดสุญญากาศที่เครื่องควบแน่น ทำให้แก๊สไหลผ่าน scrubber ได้อย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้การออกแบบปั๊มหอยโข่ง (centrifugal pump) ที่สูบของเหลวที่อุณหภูมิจุดเดือดหรือใกล้จุดเดือดนี้ต้องคำนึงเรื่อง Net Positive Suction Head (NPSH) เอาไว้ด้วย ไม่เช่นนั้นมันอาจเกิด cavitation ที่ตัวปั๊มได้

  

ตรงจุดนี้อาจมีคนสงสัยว่าในกรณีที่ใช้การลดความดันเพื่อเปลี่ยนไฮโดรคาร์บอนเบาให้เป็นแก๊สนั้น จะสามารถใช้การลดอุณหภูมิแก๊สไฮโดรคาร์บอนเบาที่ออกจาก scrubber ให้กลายเป็นของเหลวได้หรือไม่ จากนั้นจึงใช้ปั๊มเพิ่มความดันของของเหลวที่ควบแน่น จะได้ไม่ต้องใช้ compressor คำตอบของคำถามนี้ก็คือ "ได้" แต่นั่นอาจหมายถึงการต้องมีระบบทำความเย็นที่ทำอุณหภูมิได้ต่ำกว่าอุณหภูมิของน้ำหล่อเย็นหรืออากาศ จะเรียกว่าประหยัดที่หนึ่งแต่ไปเพิ่มภาระอีกที่หนึ่งแทนก็ได้ (เหมือนรถไฟฟ้า ที่บอกว่าไม่ผลิตมลภาวะเพราะไม่ปล่อยมลพิษในขณะที่รถวิ่ง แต่มันผลักภาระไปที่โรงไฟฟ้าแทนที่ต้องผลิตไฟฟ้ามากขึ้นเพื่อป้อนให้กับรถไฟฟ้า)

  

อันที่จริงสารที่เป็นสารปนเปื้อนนี้สามารถทำลายได้ด้วยการทำปฏิกิริยากับน้ำ ซึ่งถ้าใช้วิธีการนี้ก็สามารถในการสัมผัสกันระหว่างเฟสของเหลว-ของเหลวได้ แต่ที่เขาไม่เลือกใช้น่าจะเป็นเพราะน้ำเป็น catalyst poison เพราะถ้าไฮโดรคาร์บอนเบาที่เวียนกลับไปใช้งานใหม่นี้มีน้ำปนอยู่แม้ว่าจะในระดับ ppm ก็ตาม มันก็สามารถไปทำลายตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการสังเคราะห์สารได้

  

ในการสนทนากับนิสิตนั้นยังมีอีกประเด็นหนึ่งที่น่าสนใจก็คือ นิยามของคำว่า "รั่ว" ที่ตัววาล์ว ประเด็นของคำว่า "รั่ว" ตรงนี้ก็คือ เป็นการรั่วระหว่างด้านขาเข้ากับขาออกของวาล์ว อันเป็นผลจากการที่วาล์วปิดไม่สนิท หรือเป็นรั่วออกจากระบบท่อที่ตัววาล์ว อันเป็นผลจากการที่ตัววาล์วจำเป็นต้องมีรอยต่อเพื่อการประกอบชิ้นส่วนต่าง ๆ ซึ่งแค่ละคนอาจคิดไม่เหมือนกันอยู่ก็ได้

  

ส่วนคำตอบสุดท้ายจะเป็นอะไรนั้นผมเองไม่ทราบ เพราะทำเพียงแค่แนะนำให้นิสิตผู้ถามคำถามมานั้นได้เห็นภาพทางเลือกบางทางเลือกที่เป็นไปได้ และข้อดีข้อเสียของทางเลือกเหล่านั้น และยังต้องมีปัจจัยอื่นเข้ามาพิจารณาประกอบอีก เช่น พื้นที่สำหรับติดตั้งอุปกรณ์ ระบบสาธารณูปโภคที่มีอยู่ที่สามารถนำมาใช้ได้ ฯลฯ